지구온난화 유발하는 가스 저감… 친환경 철도기술 눈길
지구온난화 유발하는 가스 저감… 친환경 철도기술 눈길
  • 김하늬 기자
  • 승인 2022.09.26 09:45
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[공학저널 김하늬 기자] 육상수송 수단 중 최소 에너지로 여객과 화물을 수송하는 철도는 가장 적은 에너지로 운행할 수 있는 녹색 교통수단으로 손꼽힌다. 이에 따라 최근 철도기술에서도 친환경 바람이 불고 있다.

특히 최근 개발된 ‘전기철도용 친환경 개폐장치-29kV 스위치기어’는 친환경 철도기술의 사례로 꼽을 수 있다.

가스절연 스위치기어(GIS; Gas Insulated Switchgear)는 전기철도 시설을 구성하는 장비로, 열차에 전기를 공급하는 전차선 등에 예상치 못한 사고가 발생했을 때 전력계통을 안전하게 보호하고 급전계통의 운영을 원활히 하는 설비다.

송·변전시스템 대부분의 기기를 밀폐된 용기 내에 설치해 SF6가스로 절연시켜 Compact화한 기술로, 환경친화적이면서도 최첨단화한 핵심 송·변전 장비라고 할 수 있다.

GIS는 기존 공기절연 변전시스템(AIS; air insulated substation)보다 약 1/20정도로 Compact화 할 수 있고, 건물 내부나 지하에 설치할 수 있다는 장점 때문에 우리나라와 일본과 같이 인구가 많고 국토가 좁은 나라에 대부분 적용돼 있다. 우리나라의 경우 전기철도 급전용 29kV급 GIS가 98%에 달할 정도로 발전돼 있는 기술이기도 하다.

하지만 지난 1997년 GIS의 핵심절연 가스인 SF6가스가 지구온난화를 유발하는 가스 중 하나로 지정되고, 1994년 IPCC(Intergovermental Panel on Climate Change)에서 환경에 미치는 영향(CO2의 23,900배)이 가장 큰 가스로 지정됨에 따라 이를 저감할 수 있는 기술에 대한 필요성이 대두되기 시작했다.

이뿐만 아니라 GIS는 보통 5.5bar 이상의 높은 압력으로 충진 돼 있기 때문에 극한지역(동유럽북부, 러시아, 캐나다 등)에서는 액화되는 현상이 빈번하게 발생하고 있어 스위치기어에서 SF6의 저감·대체기술 개발은 이제 선택이 아니라 필수적인 의무사항이 됐다.

이를 해결하기 위해 개발된 기술이 바로 ‘29kV 스위치기어’라고 할 수 있다.

특히 기존 72.5kV 스위치기어의 SF6가스 차단부를 진공차단부(Vacuum interrupter, VI)로 변경해 지구온난화를 유발하는 SF6가스를 저감했다는 점에서 차별화되고 있다.

또한 기존 제품은 접지 스위치, 단로기가 각각의 기기로 이루어져 있으나 29kV 스위치기어는 단로부와 접지부를 같은 Enclosure에 구성한 3-way 스위치 방식을 채택함으로써 온난화 가스인 SF6가스 사용량을 대폭 저감(-98.3%)시켰다.

일반적으로 이러한 스위치기어의 구성기기는 차단기, 단로기, 접지 스위치, PT, CT, 단권변압기, 피뢰기, 케이블 접속부 등으로 이루어져 있다.

이를 효율적으로 재배치해 전기기관차를 운행 시 단권변압기의 고장이 발생하더라도 무정전으로 전철운행이 가능하며, 계통의 운영이 원활해지고 계통보호가 한층 더 강화되는 효과를 누릴 수 있다.

기존 스위치기어 설치 급전소의 경우 전차선과 급전소 간 전력선 연결을 설비건물 3층에 있는 AIR Bushing에 의한 가공선으로 연결됐다.

하지만 AC 29kV 스위치기어의 경우 전력선 연결은 Plug-In 방식의 지중 케이블 연결방식을 채택해 공중으로 연결된 케이블이 필요하지 않아 기중절연 방식을 사용하지 않기 때문에 설치 공간의 축소 및 환경과의 조화를 꾀할 수 있는 것이다.

이러한 점에서 29kV 스위치기어는 기존 전기철도 시스템 재정립에 의해 Compact화를 실현했다고 평가받는다.

기존 3상 72.5kV 스위치기어는 기기의 배치가 수평배열 방식으로 넓은 설치면적을 차지할 뿐 아니라 토목, 건축 등의 부대비용이 많이 발생하는 한계가 있었다.

하지만 29kV 스위치기어는 기기의 배치를 수직 배열함으로써 설치면적이 1/20 수준으로 감축돼 토목비, 건축비의 부대적인 비용 절감을 이룰 수 있다.

특히 차단부를 Compact화한 친환경 제품으로 인정받아 환경부로부터 ‘녹색기술인증’(2011.02.17.)과 ‘녹색기술제품확인’(2013.08.22.)을 획득한 기술이기도 하다.

이러한 기술은 중소기업지원부에서 지원하는 2010년 구매조건부 신제품 개발사업으로 ‘전기철도 단상 29kV급 최적화 설계에 의한 Compact GIS개발’ 과제를 통해 국가철도공단과 ㈜광명전기가 공동개발을 진행, 도담SSP에 실증시험까지 완료하면서 성공리에 개발됐다.

지난 1955년 설립된 ㈜광명전기는 스위치기어 기술 분야에서 65년 이상 업력을 쌓아왔다. 이 기술을 바탕으로 철도급전설비인 스위치기어와 스마트 제어 분야에 탁월한 기술을 보유하고 있다.

이후 광명전기는 2021년부터 중소벤처기업부에서 지원하는 중소기업 기술개발 지원 사업의 일환으로 구매조건부 신제품 개발 사업(구매 연계형)에서 국가철도공단과 공동으로 ‘전기철도 주변전소 급전용 친환경 스위치기어 개발’을 수행했다. 현재 개발된 제품(SF6 Free)은 전기기관차에 공급하기 위해 철도구간 50km마다 설치되는 주변전소(154kV/29kV)와 급전구분소(6~8개소)에 본 개발품(SF6 Free)인 29kV 스위치기어를 설치 할 예정이다.

광명전기 김희진 부사장(사진)은 “전기철도 기술은 단위 기기가 플랜트화 되어있고, 사람을 운송하는 것이기에 높은 신뢰도를 요구하는 시스템으로 기업에서 기술이 개발이 되었다고는 하나, 고신뢰성이 요구되고 있다”며 “개발된 제품은 실계통과 철도운영 등에서 실증시험을 수행 중이다. 국가철도공단과 한국철도공사, 제조사가 협력해 신뢰성 검증과 원활한 운영 방식 등 실제 검증을 위한 논의를 진행 중”이라고 말했다.

그는 이어 “전력기술의 디지털화와 스마트한 스위치기어, 신재생에너지 분야 기술을 중점적으로 기술 개발에 힘쓸 것”이라며 “미래의 철도기술 개발 추이는 고속화, 경량화 및 구동에너지의 친환경성으로 진보될 것으로 전망됨에 따라 광명전기 또한 관련 기술개발에 앞장서 나갈 계획”이라고 전했다.


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